RU2444082C2 - Generator of microwave signals on virtual cathode - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: generator of a noiselike wideband microwave signal on a virtual cathode comprises a source of electrons, an electrodynamic system (5) with an energy output (6) and a collector (7), a static magnetic focusing system (8), made as capable to generate the static magnetic field with the discontinuity area, and the source of electrons is a magnetron-injector gun with an emitter strip (3) on a cathode (2), generating a hollow cylindrical screw electronic beam (1) capable of drifting in one direction and generation of the virtual cathode in the drift space in the area of discontinuity of the static magnetic field. Width of the emitting strip of the magnetron-injector gun cathode is selected to ensure maximum spread of electron speeds. The magnetic focusing system comprises two sources of the static magnetic field.

EFFECT: elimination of current deposition on walls of the drift chamber, provision of considerable spread of electrons by speeds, increased width of the device generation spectrum and reduced irregularity of the spectrum.

3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к нерелятивистской электронике сверхвысоких частот, а именно к устройствам для генерирования широкополосных шумоподобных СВЧ колебаний малого и среднего уровня мощности, и может быть использовано в различных системах радиолокации, радиопротиводействия, системах связи на основе хаотических сигналов, установках промышленного применения, а также в устройствах медицинского назначения.The invention relates to non-relativistic microwave electronics, and in particular, to devices for generating broadband noise-like microwave oscillations of small and medium power levels, and can be used in various radar systems, radio countermeasures, communication systems based on chaotic signals, industrial applications, and also in devices medical purpose.

Начиная с 70-х годов ХХ-го века в связи с развитием представлений о явлении динамического хаоса, началось бурное развитие раздела радиофизики, посвященного изучению сложного нестационарного поведения распределенных радиофизических систем. Вместе с тем начались и продолжаются до сих пор поиски путей использования явления хаотической динамики электронных радиофизических систем в практических приложениях. Устройства, демонстрирующие сложную хаотическую динамику, могут использоваться, прежде всего, в современных информационно-телекоммуникационных системах, основанных на использовании широкополосных хаотических сигналов для передачи и хранения информации [Дмитриев А.С., Панас А.И. Динамический хаос. Новые носители информации для систем связи. - М.: Физматлит. 2002; Argyris A. et al. Chaos-based communications at high bit rates using commercial fibre-optic links. Nature. 438 (2005) 343; Залогин Н.Н., Кислов В.В. Широкополосные хаотические сигналы в радиотехнических и информационных системах. - М.: Радиотехника. 2006; Special Issue on Applications of Nonlinear Dynamics to Electronic and Information Engineering // Proc. IEEE. 2002. V.90. №51. Имеется определенный интерес к подобным источникам шумового сигнала для использования их в различных технологических процессах очистки и улучшения качества нефти, органическом синтезе, в радиолокации, в задачах радиопротиводействия и т.д. Еще одним перспективным направлением использования хаотических СВЧ сигналов может стать решение задач, связанных с дистанционным высвобождением капсулированного материала на микро- и наноуровне в биомедицинских приложениях.Since the 70s of the twentieth century, in connection with the development of ideas about the phenomenon of dynamic chaos, the rapid development of the section of radiophysics began, devoted to the study of the complex unsteady behavior of distributed radiophysical systems. At the same time, the search for ways to use the phenomenon of chaotic dynamics of electronic radiophysical systems in practical applications has begun and is still ongoing. Devices that demonstrate complex chaotic dynamics can be used, first of all, in modern information and telecommunication systems based on the use of broadband chaotic signals for transmitting and storing information [Dmitriev AS, Panas AI Dynamic chaos. New storage media for communication systems. - M .: Fizmatlit. 2002; Argyris A. et al. Chaos-based communications at high bit rates using commercial fiber-optic links. Nature. 438 (2005) 343; Zalogin N.N., Kislov V.V. Broadband chaotic signals in radio engineering and information systems. - M .: Radio engineering. 2006; Special Issue on Applications of Nonlinear Dynamics to Electronic and Information Engineering // Proc. IEEE 2002. V.90. No. 51. There is a certain interest in such sources of noise signal for use in various technological processes of refining and improving the quality of oil, organic synthesis, in radar, in tasks of radio countermeasures, etc. Another promising area for the use of chaotic microwave signals can be the solution of problems associated with the remote release of encapsulated material at the micro and nanoscale in biomedical applications.

Вместе с тем следует отметить, что во многих случаях при создании генераторов шума СВЧ диапазона конструкторы шли по пути создания устройств, сложная динамика которых определялась, прежде всего, конфигурацией внешних цепей, например цепей обратной связи, а собственная хаотическая динамика непосредственно электронных потоков не использовалась. Это делало создаваемые генераторы хаоса достаточно узкополосными (ширина полосы частот до 20%), недостаточно мощными и с плохим качеством шумового спектра (большая изрезанность, перепады мощности в спектре более 10 дБ). Это является серьезным недостатком подобных устройств, т.к. в указанных выше приложениях возникает необходимость создания источников шумоподобных колебаний с шириной полосы частот одна-две октавы. Другим возможным решением при получении широкополосного СВЧ излучения в полосе более одной-двух октав является использование источников шумоподобных сигналов на основе наборов твердотельных генераторов шума с узкими перекрывающимися полосами частот. Однако такой способ также имеет свои недостатки, в том числе сложность настройки и управления выходным сигналом такой системы.At the same time, it should be noted that in many cases, when creating microwave noise generators, designers followed the path of creating devices whose complex dynamics were determined primarily by the configuration of external circuits, for example, feedback circuits, and their own chaotic dynamics of direct electron flows were not used. This made the chaos generators created sufficiently narrow-band (bandwidth up to 20%), not powerful enough and with poor quality of the noise spectrum (large ruggedness, power drops in the spectrum of more than 10 dB). This is a serious drawback of such devices, because in the above applications, there is a need to create sources of noise-like oscillations with a bandwidth of one or two octaves. Another possible solution for obtaining broadband microwave radiation in a band of more than one or two octaves is the use of noise-like signal sources based on sets of solid-state noise generators with narrow overlapping frequency bands. However, this method also has its drawbacks, including the difficulty of setting up and controlling the output signal of such a system.

Таким образом, в настоящее время актуальным является разработка устройств широкополосных шумоподобных колебаний с характерной полосой частот одна-две октавы и с возможностью управления спектральным составом излучения.Thus, the development of devices for broadband noise-like oscillations with a characteristic frequency band of one or two octaves and with the ability to control the spectral composition of radiation is currently relevant.

Наиболее близким к заявляемому является генератор шумоподобного широкополосного СВЧ-сигнала на виртуальном катоде (см. патент на изобретение RU 2288519). Генератор содержит источник электронов, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, по крайней мере. одну сетку, расположенную между источником электронов и коллектором перпендикулярно направлению движения пучка электронов с возможностью формирования виртуального катода в электродинамической системе между сеткой и коллектором. Электродинамическая система выполнена в виде отрезка спиральной замедляющей системы, вывод энергии выполнен в виде волноводной линии передачи, источник электронов выполнен в виде электронной пушки, а коллектор - в виде электрода, расположенного на выходе генератора. В прототипе виртуальный катод (ВК) формируется в интенсивном нерслятивистском электронном потоке за счет дополнительного торможения электронов. Важной особенностью таких нерелятивистских систем с виртуальным катодом является простота конструкции, возможность работы без фокусирующих магнитных полей - простота управления спектральными и энергетическими характеристиками генерации. В такой системе в широком диапазоне управляющих параметров в системе возможно возникновение широкополосного хаотического выходного сигнала малого и среднего уровня мощности сантиметрового диапазона длин волн с шириной полосы частот до октавы.Closest to the claimed is a noise-like broadband microwave signal generator on a virtual cathode (see patent for invention RU 2288519). The generator contains an electron source, an electrodynamic system with energy output and a collector, at least. one grid located between the electron source and the collector perpendicular to the direction of the electron beam with the possibility of forming a virtual cathode in the electrodynamic system between the grid and the collector. The electrodynamic system is made in the form of a segment of a spiral decelerating system, the energy output is made in the form of a waveguide transmission line, the electron source is made in the form of an electron gun, and the collector is in the form of an electrode located at the output of the generator. In the prototype, a virtual cathode (VC) is formed in an intense non-relativistic electron beam due to additional electron braking. An important feature of such non-relativistic systems with a virtual cathode is the simplicity of design, the ability to work without focusing magnetic fields - the simplicity of controlling the spectral and energy characteristics of the generation. In such a system, in a wide range of control parameters in the system, a broadband chaotic output signal of a small and medium power level of the centimeter wavelength range with a frequency bandwidth of up to an octave may occur.

Однако в такой системе из-за малости собственного первеанса потока, формируемого электронной пушкой с оксидным или термокатодом, принципиально использование дополнительного тормозящего потенциала для формировании виртуального катода, что приводит к увеличению энергозатрат и к малой эффективности работы такого прибора. Кроме того, такой прибор характеризуется достаточно высоким токооседанием на стенках камеры дрейфа, что приводит к дополнительным потерям.However, in such a system, due to the small intrinsic perveance of the flow generated by an electron gun with an oxide or thermal cathode, it is important to use an additional inhibitory potential to form a virtual cathode, which leads to an increase in energy consumption and to a low efficiency of such a device. In addition, such a device is characterized by a sufficiently high current subsidence on the walls of the drift chamber, which leads to additional losses.

Задачей изобретения является создание источника управляемых широкополосных шумоподобных колебаний малого и среднего уровня мощности сантиметрового диапазона длин волн на основе нерелятивистского цилиндрического винтового электронного пучка в режимах с формированием виртуального катода.The objective of the invention is the creation of a source of controlled broadband noise-like oscillations of small and medium power levels of the centimeter wavelength range based on a nonrelativistic cylindrical helical electron beam in modes with the formation of a virtual cathode.

Технический результат, достигаемый в предложенном нерелятивистском генераторе СВЧ с виртуальным катодом, состоит в обеспечении возможности формирования виртуального катода в нерелятивистском винтовом цилиндрическом потоке за счет возможности достижения высокой плотности тока (высокого первеанса пучка) в магнетронно-инжекторной пушке при относительно небольших напряжениях питания, без использования дополнительного торможения, а также за счет применения особой конфигурации магнитного поля типа «магнитная ловушка». При этом использование магнитного поля позволяет избежать токооседания на стенках камеры дрейфа, а использование особой конструкции катода пушки позволяет дополнительно получить значительный разброс электронов по скоростям, что увеличивает ширину спектра генерации прибора и уменьшает изрезанность спектра.The technical result achieved in the proposed non-relativistic microwave generator with a virtual cathode is to provide the possibility of forming a virtual cathode in a non-relativistic helical cylindrical stream due to the possibility of achieving a high current density (high beam perveance) in a magnetron-injection gun at relatively low supply voltages, without using additional braking, as well as through the use of a special configuration of the magnetic field of the "magnetic trap" type. At the same time, the use of a magnetic field allows one to avoid current subsidence on the walls of the drift chamber, and the use of a special design of the gun’s cathode allows one to additionally obtain a significant electron velocity spread, which increases the width of the lasing spectrum of the device and reduces the irregularity of the spectrum.

Поставленная задача решается тем, что генератор шумоподобного широкополосного СВЧ сигнала на виртуальном катоде, содержащий источник электронов, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, согласно решению он содержит статическую магнитную фокусирующую систему, выполненную с возможностью формирования статического магнитного поля с областью неоднородности, а в качестве источника электронов выбрана магнетронно-инжекторная пушка с эмитирующим полоском на катоде, формирующая полый цилиндрический винтовой электронный пучок с возможностью дрейфования в одном направлении и формирования виртуального катода в пространстве дрейфа в области неоднородности статического магнитного поля. Ширина эмитирующего полоска катода магнетронно-инжекторной пушки выбрана из условия обеспечения максимального разброса скоростей электронов. Магнитная фокусирующая система состоит из двух источников статического магнитного поля, один из которых расположен в области катода пушки, а другой - в области пространства дрейфа.The problem is solved in that the generator of a noise-like broadband microwave signal on a virtual cathode, containing an electron source, an electrodynamic system with energy output and a collector, according to the solution, it contains a static magnetic focusing system configured to generate a static magnetic field with an inhomogeneity region, and as the electron source, a magnetron-injection gun with an emitting strip at the cathode was selected, forming a hollow cylindrical helical electron ith beam with the possibility of drift in one direction and the formation of a virtual cathode in the drift space in the field of inhomogeneity of the static magnetic field. The width of the emitting strip of the cathode of the magnetron-injection gun is selected from the condition of ensuring maximum spread of electron velocities. The magnetic focusing system consists of two sources of a static magnetic field, one of which is located in the region of the cathode of the gun, and the other in the region of the drift space.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлен заявляемый генератор СВЧ, на фиг.2 - распределение продольной компоненты магнитного поля B_z(z), на фиг.3 - распределение поперечной компоненты магнитного ноля B_r(r₀,z), на фиг.4 - конфигурационный портрет распределения продольной скорости v_z заряженных частиц от продольной координаты z, на фиг.5 - величина максимальной частоты генерации f_max в зависимости от ширины полоска h, на фиг.6 - мощность генерации Р (кривая 1) и ширина полосы генерации Δf/f (кривая 2) в зависимости от ширины полоска h, на фиг.7 - изрезанность S спектра генерации прибора в зависимости от ширины полоска h.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 schematically shows the inventive microwave generator, figure 2 - distribution of the longitudinal component of the magnetic field B _z (z), figure 3 - distribution of the transverse component of the magnetic field B _r (r ₀ , z), figure 4 - configuration portrait of the distribution of the longitudinal velocity v _{z of} charged particles from the longitudinal coordinate z, figure 5 - the maximum generation frequency f _max depending on the width of the strip h, figure 6 - power generation P (curve 1) and lasing bandwidth Δf / f (curve 2) depending on floor width Oska h, Fig.7 - the indentation S of the spectrum of the generation of the device depending on the width of the strip h.

Позициями на фиг.1 обозначены:The positions in figure 1 are indicated:

1 - электронный пучок,1 - electron beam,

2 - катод магнетронно-инжекторной пушки,2 - cathode of the magnetron-injection gun,

3 - эмитирующий полосок катода,3 - emitting strips of the cathode,

4 - ускоряющий электрод магнетронно-инжекторной пушки,4 - accelerating electrode of the magnetron-injection gun,

5 - отрезок широкополосной электродинамической системы, выполненный в виде спирали,5 - a segment of a broadband electrodynamic system, made in the form of a spiral,

6 - вывод энергии,6 - energy output,

7 - коллектор.7 - collector.

8 - статическая магнитная фокусирующая система.8 - static magnetic focusing system.

Предложенный вакуумный нерелятивистский СВЧ генератор широкополосных шумоподобных колебаний содержит следующие основные конструктивные элементы (фиг.1). В качестве источника аксиально-симметричного цилиндрического винтового электронного пучка 1 используется электронная пушка, которая включает в себя катод 2 с эмитирующим полоском 3. При этом полосок 3 может иметь различную ширину, размер которой определяют из условия достижения максимального разброса скоростей электронного пучка. Также система содержит ускоряющий электрод 4, формирующий также пространство дрейфа пучка, на который подают ускоряющий потенциал V₀. После прохождения потоком области катода пучок попадает в пространство дрейфа, в котором располагается широкополосная электродинамическая система 5 (например, отрезок спирали), с выводом энергии 6, выполненным в виде коаксиальной линии передач. После прохождения пространства дрейфа электронный поток осаждается на коллекторе 7. Также прибор помещается в статическую магнитную систему 8, которая формирует в приборе статическое магнитное поле заданного вида. Возможная конфигурация компонент магнитного поля изображена на фиг.2 и фиг.3. При этом магнитная фокусирующая система может быть выполнена в различных вариантах: в виде двух соленоидов или постоянных магнитов, один из которых расположен в области катода пушки, а другой - в области пространства дрейфа, либо в виде одного соленоида (постоянного магнита), расположенного в области пространства дрейфа ближе к катоду пушки.The proposed vacuum non-relativistic microwave generator of broadband noise-like oscillations contains the following main structural elements (figure 1). An electron gun is used as a source of an axially symmetric cylindrical helical electron beam 1, which includes a cathode 2 with an emitting strip 3. Moreover, the strip 3 can have a different width, the size of which is determined from the condition that the maximum spread of the electron beam velocities is achieved. The system also contains an accelerating electrode 4, which also forms the space of the beam drift, which serves the accelerating potential V ₀ . After the cathode region passes through the stream, the beam enters the drift space in which the broadband electrodynamic system 5 (for example, a spiral segment) is located, with the energy output 6 made in the form of a coaxial transmission line. After passing through the drift space, the electron beam is deposited on the collector 7. The device is also placed in a static magnetic system 8, which forms a static magnetic field of a given type in the device. A possible configuration of the magnetic field components is shown in FIG. 2 and FIG. 3. In this case, the magnetic focusing system can be made in various ways: in the form of two solenoids or permanent magnets, one of which is located in the region of the gun’s cathode, and the other in the region of the drift space, or in the form of one solenoid (permanent magnet) located in the region drift spaces closer to the cathode of the gun.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Электронный пучок инжектируется с эмитирующего полоска 3 в область скрещенных статических электрического и магнитного полей, сформированных ускоряющим электродом 4 и магнитостатической системой 8 соответственно. Далее, двигаясь вдоль линий магнитного поля по траектории, изображенной на фиг.1 (отмечена цифрой «1»), электронный пучок 1 проходит в пространство дрейфа, в область увеличения продольной составляющей магнитного поля (см. фиг.2). Магнитостатическая система 8 сконструирована таким образом, что конфигурация магнитного поля (см. фиг.2 и фиг.3) образует т.н. магнитную ловушку. По мере продвижения заряженных частиц вдоль оси системы происходит уменьшение продольной скорости движения электронного потока из-за сгущения линий магнитного поля в области магнитной ловушки. В результате под действием магнитного поля, а также собственного поля пространственного заряда пучка электронный поток частично или полностью может отразиться к пушечному концу прибора. В результате, вследствие накопления пространственного заряда в области между пушкой и областью отражения потока, в системе возникают колебания плотности пространственного заряда в пучке. Эти колебания детектируются широкополосной электродинамической системой 5 и выводятся через вывод энергии 6.An electron beam is injected from the emitting strip 3 into the region of crossed static electric and magnetic fields generated by the accelerating electrode 4 and the magnetostatic system 8, respectively. Further, moving along the lines of the magnetic field along the trajectory shown in Fig. 1 (marked with the number "1"), the electron beam 1 passes into the drift space, into the region of increase in the longitudinal component of the magnetic field (see Fig. 2). The magnetostatic system 8 is designed in such a way that the configuration of the magnetic field (see figure 2 and figure 3) forms the so-called magnetic trap. As the charged particles move along the axis of the system, the longitudinal velocity of the electron beam decreases due to the thickening of the magnetic field lines in the region of the magnetic trap. As a result, under the influence of the magnetic field, as well as the own field of the space charge of the beam, the electron beam can partially or completely reflect to the cannon end of the device. As a result, due to the accumulation of the space charge in the region between the gun and the flow reflection region, fluctuations in the space charge density in the beam occur in the system. These oscillations are detected by the broadband electrodynamic system 5 and are output through the output of energy 6.

Как показали проведенные ранее исследования, несмотря на получение ряда положительных результатов, в задаче создания эффективного перестраиваемого источника широкополосного сигнала СВЧ диапазона на основе интенсивных пучков с виртуальным катодом требуется продолжать дополнительные планомерные исследования в области изучения и создания источников сверхширокополосного СВЧ излучения на основе электронных потоков с виртуальным катодом. Так, например, было показано, что на качество спектра выходного излучения системы с виртуальным катодом значительное влияние оказывает разброс по начальным скоростям электронного потока [Калинин Ю.А. Храмов А.Е. // ЖТФ. 2006. Т.76. №5. С.25-34]. Таким образом, скоростной разброс пучка, возникший в результате усиления естественных шумов источника электронов или в результате искусственного введения распределения по скоростям, становится дополнительным управляющим параметром для системы с виртуальным катодом. Проводились также предварительные исследования влияния внешнего ведущего магнитного поля на динамику электронного потока с виртуальным катодом [Куркин С.А., Короновский А.А., Храмов А.Е. // Изв. вузов «ПНД». 2008. Т.16. №4. C.182], а также особенности возникновения и динамики виртуального катода в трубчатом электронном потоке [Куркин С.А., Храмов А.Е. // Письма в ЖТФ. 2009. Т.35. №1. С.48]. Понятно, что такие параметры (разброс начальных скоростей электронов, конфигурация электронно-оптической системы пушки, использование или отсутствие внешнего ведущего магнитного поля, особенности траекторий частиц формируемого электронного пучка) будут играть важную роль при работе реального прибора.As shown by previous studies, despite obtaining a number of positive results, in the task of creating an effective tunable source of a broadband microwave signal based on intense beams with a virtual cathode, it is necessary to continue additional systematic research in the field of studying and creating sources of ultrawide microwave radiation based on electron flows with virtual cathode. So, for example, it was shown that the quality of the spectrum of the output radiation of a system with a virtual cathode is significantly affected by the spread in the initial velocities of the electron flux [Kalinin Yu.A. Hramov A.E. // ZhTF. 2006.V. 76. No. 5. S.25-34]. Thus, the velocity spread of the beam resulting from the amplification of the natural noise of an electron source or from the artificial introduction of a velocity distribution becomes an additional control parameter for a system with a virtual cathode. Preliminary studies of the influence of an external leading magnetic field on the dynamics of an electron beam with a virtual cathode were also carried out [Kurkin SA, Koronovsky AA, Hramov A.E. // Izv. universities "PND". 2008.V.16. Number 4. C.182], as well as features of the appearance and dynamics of a virtual cathode in a tubular electron flow [Kurkin SA, Hramov A.E. // Letters to the ZhTF. 2009.V. 35. No. 1. P.48]. It is clear that such parameters (the scatter of the initial electron velocities, the configuration of the electron-optical gun system, the use or absence of an external leading magnetic field, and the features of the particle paths of the generated electron beam) will play an important role in the operation of a real device.

Рассмотрим подробнее результаты численного моделирования и экспериментальных исследований низковольтного виркатора с источником электронов в виде магнетронно-инжекторной пушки (МИП).Let us consider in more detail the results of numerical modeling and experimental studies of a low-voltage vircator with an electron source in the form of a magnetron-injection gun (MIP).

Начальные условия в численном моделировании были подобраны таким образом, чтобы в системе реализовывались условия полного прохождения электронного потока в режиме малого пространственного заряда. Это соответствует малым питч-факторам g электронного потока в пространстве дрейфа (в области с максимальной постоянной величиной продольной составляющей B_z магнитного поля): g=v_||/v_⊥≈2.5, где v_|| - продольная дрейфовая компонента скорости заряженных частиц, а v_⊥ - поперечная компонента скорости. Данный режим работы МИП характеризуется значительными величинами поперечных скоростей (g>1), недостаточных, однако, для образования магнитной ловушки для электронного потока. Величина ускоряющего потенциала. прикладываемого к аноду, при моделировании была выбрана V₀=2500 V; отношение максимальной и минимальной величин продольной составляющей магнитного поля равно

при

kGs. Угол наклона φ плоскости катода к оси системы составлял в численном эксперименте величину φ=15°, что соответствует формированию пучка с регулярным пересечением траекторий. Ширина эмитирующего полоска МИП выбиралась достаточно широкой для получения значительного разброса по скоростям, который достигал для продольной компоненты скорости электронов величины δv_||=56%. Таким образом параметры системы в численном моделировании соответствуют параметрам реальных МИП, при которых в натурном эксперименте наблюдаются значительные собственные шумы электронного потока.The initial conditions in numerical simulation were selected so that the conditions for the complete passage of the electron beam in the small space charge mode were realized in the system. This corresponds to small pitch factors g of the electron beam in the drift space (in the region with the maximum constant magnitude of the longitudinal component B _{z of the} magnetic field): g = v _|| / v _⊥ ≈ 2.5, where v _|| is the longitudinal drift component of the velocity of charged particles, and v _⊥ is the transverse component of the velocity. This MIP operation mode is characterized by significant transverse velocities (g> 1), insufficient, however, for the formation of a magnetic trap for the electron beam. The magnitude of the accelerating potential. applied to the anode, V ₀ = 2500 V was selected during modeling; the ratio of the maximum and minimum values of the longitudinal component of the magnetic field is

at

kGs. In the numerical experiment, the angle of inclination φ of the cathode plane to the axis of the system was φ = 15 °, which corresponds to the formation of a beam with regular intersection of trajectories. The width of the MIP emitting strip was chosen wide enough to obtain a significant velocity spread, which reached δv _|| for the longitudinal component of the electron velocity = 56%. Thus, the parameters of the system in numerical simulation correspond to the parameters of real MIPs at which significant intrinsic noise of the electron beam is observed in a field experiment.

На фиг.4 приведен характерный мгновенный конфигурационный портрет пучка в координатах «продольные скорости v_z - координаты z заряженных частиц». Каждая точка на конфигурационном портрете соответствует одной заряженной частице. Отметим, что в среднем число частиц, используемых при моделировании, равно 10⁵. Видно, что часть электронного потока проходит, теряя часть своей продольной кинетической энергии, через область пониженного потенциала (через область виртуального катода) и покидает пространство дрейфа через правую границу системы, а часть потока отражается от ВК обратно к катоду. При этом в отраженном потоке можно выделить две фракции частиц. Первую составляют электроны, которые в первый раз отражаются от ВК. На фиг.4 область первичного отражения электронов обозначена овальной рамкой «1». Часть таких частиц, вернувшись вновь от катода, может пройти через ВК и покинуть пространство дрейфа через правую границу системы. Частицы второй фракции обратного тока обладают меньшей кинетической энергией вследствие торможения в потенциальной яме между катодом и ВК. Из-за потери энергии такие электроны не могут преодолеть ВК и снова отражаются к плоскости инжекции (испытывая таким образом три и более отражения) в области, обозначенной на фиг.4 овальной рамкой «2». В обратном потоке такие электроны движутся с меньшей скоростью и соответствуют на фиг.4 менее интенсивно закрашенной области ниже оси. Такие частицы практически не имеют возможности покинуть образовавшуюся ловушку между ВК и катодом МИП благодаря конфигурации магнитного поля и величине ускоряющего напряжения пушки. Со временем эти захваченные долгоживущие в пространстве дрейфа частицы накапливаются в пространстве дрейфа, значительно влияя на динамику винтового электронного потока.Figure 4 shows a characteristic instantaneous configurational portrait of the beam in the coordinates of "longitudinal velocities v _z - coordinates z of charged particles". Each point in the configuration portrait corresponds to one charged particle. Note that, on average, the number of particles used in the simulation is 10 ⁵ . It is seen that part of the electron beam passes, losing part of its longitudinal kinetic energy, through the region of reduced potential (through the region of the virtual cathode) and leaves the drift space through the right boundary of the system, and part of the stream is reflected from the VC back to the cathode. In this case, two fractions of particles can be distinguished in the reflected flow. The first is composed of electrons, which are reflected for the first time from the VC. In Fig.4, the region of primary reflection of electrons is indicated by an oval frame "1". Some of these particles, having returned again from the cathode, can pass through the VC and leave the drift space through the right boundary of the system. Particles of the second fraction of the reverse current have a lower kinetic energy due to braking in the potential well between the cathode and VC. Due to energy loss, such electrons cannot overcome the VC and are again reflected to the injection plane (thus experiencing three or more reflections) in the region indicated by the oval frame “2” in Fig. 4. In the reverse flow, such electrons move at a lower speed and correspond in FIG. 4 to a less intensely filled region below the axis. Such particles practically do not have the ability to leave the formed trap between the VC and the MIP cathode due to the configuration of the magnetic field and the magnitude of the accelerating voltage of the gun. Over time, these captured particles long-lived in the drift space accumulate in the drift space, significantly affecting the dynamics of the helical electron flow.

Необходимо отметить также, что процесс образования виртуального катода и накопления заряда происходит в области катода пушки, в связи с этим возможно создать более компактную систему (низковольтный виркатор) с меньшей длинной пространства дрейфа.It should also be noted that the process of formation of a virtual cathode and charge accumulation occurs in the region of the cathode of the gun; in this regard, it is possible to create a more compact system (low-voltage vircator) with a shorter drift space.

Проводились также экспериментальные исследования влияния параметров МИП на выходное излучение прибора СВЧ. В частности, исследовалось влияние ширины эмитирующего полоска 3 (см. фиг.1) на выходное излучение низковольтного виркатора. Исследования проводились для трех различных величин ширины полоска: h=1 мм, h=2 мм, h=3 мм.Experimental studies of the influence of MIP parameters on the output radiation of a microwave device were also conducted. In particular, the effect of the width of the emitting strip 3 (see FIG. 1) on the output radiation of a low-voltage vircator was investigated. Studies were conducted for three different strip widths: h = 1 mm, h = 2 mm, h = 3 mm.

На фиг.4 приведена зависимость максимальной частоты в спектре генерации СВЧ прибора с МИП в зависимости от ширины эмитирующего полоска h. На фиг.5 видно, что по мере увеличения ширины полоска растет макисмальная частота в спектре колебаний выходного излучения прибора. Подобная зависимость объясняется следующим образом. По мере увеличения ширины эмитирующего полоска на катоде МИП увеличивается токоотбор с катода и соответственно увеличивается ток полого цилиндрического пучка. Как было сказано выше, один из определяющих факторов возникновения нестационарного виртуального катода связан с воздействием собственного кулоновского поля пространственного заряда. Поэтому, по мере увеличения тока пучка, растет плазменная частота электронного потока и соответствующим образом меняется характерная частота колебаний в электронном потоке.Figure 4 shows the dependence of the maximum frequency in the generation spectrum of a microwave device with MIP depending on the width of the emitting strip h. Figure 5 shows that as the strip width increases, the maximum frequency in the oscillation spectrum of the output radiation of the device increases. A similar dependence is explained as follows. As the width of the emitting strip at the MIP cathode increases, the current collection from the cathode increases and, accordingly, the current of the hollow cylindrical beam increases. As mentioned above, one of the determining factors for the emergence of an unsteady virtual cathode is associated with the influence of the own Coulomb field of the space charge. Therefore, as the beam current increases, the plasma frequency of the electron beam increases and the characteristic oscillation frequency in the electron beam accordingly changes.

На фиг.6 приведена зависимость мощности Р (кривая 1) и ширины Δf/f полосы спектра колебаний (кривая 2) в цилиндрическом пучке при изменении ширины эмитирующего полоска. Анализ приведенных графиков позволяет сделать вывод, что увеличение ширины h эмитирующего полоска приводит к повышению выходной мощности, а также увеличению ширины генерируемой полосы частот. При этом выходная мощность может достигать величины порядка 70 Вт при максимальной ширине полоска h=3 мм. а ширина полосы доходит до 100% от основной частоты в спектре колебаний.Figure 6 shows the dependence of the power P (curve 1) and the width Δf / f of the band of the vibration spectrum (curve 2) in a cylindrical beam with a change in the width of the emitting strip. An analysis of these graphs allows us to conclude that an increase in the width h of the emitting strip leads to an increase in the output power, as well as an increase in the width of the generated frequency band. In this case, the output power can reach a value of the order of 70 W with a maximum strip width h = 3 mm. and the bandwidth reaches 100% of the fundamental frequency in the spectrum of vibrations.

Важным свойством источников широкополосного хаотического сигнала является качество спектра, а именно его изрезанность, которая оперделяется как отношение максимальной мощности в спектре, к минимальной величине S=20log(P_max/P_min). На фиг.7 приведена зависимость изрезанности спектра колебаний выходного излучения от ширины эмитирующего полоска. Видно, что по мере увеличения ширины полоска изрезанность спектра значительно уменьшается, т.е. спектр мощности становится более равномерным и однородным. Хорошо известно, что МИП характеризуется значительным разбросом электронов по скоростям, высоким уровнем собственных шумов электронного потока [Tsimring S.E. Electron beams and microwave vacuum electronics. John Wiley and Sons, Inc.. Hoboken. New Jersey. 2007). Увеличение ширины эмитирующего полоска приводит к значительному увеличению скоростного разброса элеткронного потока, а также к увеличению собственных шумов пучка. Как показали более ранние исследования [Калинин Ю.А., Храмов А.Е. Экспериментальное и теоретическое исследование влияния распределения электронов по скорости на хаотические колебания в электронном потоке в режиме образования виртуального катода. ЖТФ. 76, 5 (2006) 25-34], это приводит к расширению полосы генерации и меньшей изрезанности спектра, что и наблюдается согласно приведенным данным в системе с МИП.An important property of sources of a broadband chaotic signal is the quality of the spectrum, namely, its irregularity, which is defined as the ratio of the maximum power in the spectrum to the minimum value S = 20log (P _max / P _min ). Figure 7 shows the dependence of the roughness of the spectrum of oscillations of the output radiation on the width of the emitting strip. It can be seen that as the strip width increases, the irregularity of the spectrum decreases significantly, i.e. the power spectrum becomes more uniform and uniform. It is well known that the MIP is characterized by a significant dispersion of electrons in velocity, a high level of intrinsic noise of the electron flow [Tsimring SE Electron beams and microwave vacuum electronics. John Wiley and Sons, Inc .. Hoboken. New Jersey. 2007). An increase in the width of the emitting strip leads to a significant increase in the velocity spread of the electron beam, as well as to an increase in the intrinsic noise of the beam. As shown by earlier studies [Kalinin Yu.A., Temples A.E. An experimental and theoretical study of the influence of the electron velocity distribution on chaotic oscillations in the electron beam in the virtual cathode formation mode. ZHTF. 76, 5 (2006) 25-34], this leads to an expansion of the lasing band and a lesser cut of the spectrum, which is observed according to the data presented in the MIP system.

Описанные свойства являются важными факторами для оптимизации работы низковольтных виркаторов как эффективных перестраиваемых генераторов широкополосного сигнала. В связи с этим МИП является перспективным источником электронного потока в низковольтном виркаторе.The described properties are important factors for optimizing the operation of low-voltage vircators as efficient tunable broadband signal generators. In this regard, the MIP is a promising source of electron flow in a low-voltage vircator.

Таким образом, используя магнетронно-инжекторную пушку в качестве источника электронного пучка в предложенном генераторе, существует возможность получения широкополосного шумоподобного СВЧ излучения.Thus, using the magnetron-injection gun as the source of the electron beam in the proposed generator, it is possible to obtain broadband noise-like microwave radiation.

Claims (3)

1. Генератор шумоподобного широкополосного СВЧ сигнала на виртуальном катоде, содержащий источник электронов, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, отличающийся тем, что он содержит статическую магнитную фокусирующую систему, выполненную с возможностью формирования статического магнитного поля с областью неоднородности, а в качестве источника электронов выбрана магнетронно-инжекторная пушка с эмитирующим полоском на катоде, формирующая полый цилиндрический винтовой электронный пучок с возможностью дрейфования в одном направлении и формирования виртуального катода в пространстве дрейфа в области неоднородности статического магнитного поля.1. A generator of a noise-like broadband microwave signal on a virtual cathode containing an electron source, an electrodynamic system with an energy output and a collector, characterized in that it contains a static magnetic focusing system configured to generate a static magnetic field with an inhomogeneous region, and as an electron source a magnetron-injection gun with an emitting strip at the cathode was selected, forming a hollow cylindrical helical electron beam with the possibility of drift tions in one direction and the formation of a virtual cathode in the drift space in the static magnetic field inhomogeneity. 2. Генератор СВЧ по п.1, отличающийся тем, что ширина эмитирующего полоска катода магнетронно-инжекторной пушки выбрана из условия обеспечения максимального разброса скоростей электронов.2. The microwave generator according to claim 1, characterized in that the width of the emitting strip of the cathode of the magnetron-injection gun is selected from the condition of ensuring maximum spread of electron velocities. 3. Генератор СВЧ по п.1, отличающийся тем, что магнитная фокусирующая система состоит из двух источников статического магнитного поля, один из которых расположен в области катода пушки, а другой в области пространства дрейфа. 3. The microwave generator according to claim 1, characterized in that the magnetic focusing system consists of two sources of a static magnetic field, one of which is located in the region of the cathode of the gun, and the other in the region of drift space.

Images